留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

复杂水文微弱多目标激光探测仿真与实验

宗思光 杨劭鹏 张鑫 彭丹 段子科 陈报

宗思光, 杨劭鹏, 张鑫, 彭丹, 段子科, 陈报. 复杂水文微弱多目标激光探测仿真与实验[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0141
引用本文: 宗思光, 杨劭鹏, 张鑫, 彭丹, 段子科, 陈报. 复杂水文微弱多目标激光探测仿真与实验[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0141
ZONG Si-guang, YANG Shao-peng, ZHANG Xin, PENG Dan, DUAN Zi-ke, CHEN Bao. Simulation and experiment of weak multi-target laser detection in complex hydrology[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0141
Citation: ZONG Si-guang, YANG Shao-peng, ZHANG Xin, PENG Dan, DUAN Zi-ke, CHEN Bao. Simulation and experiment of weak multi-target laser detection in complex hydrology[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0141

复杂水文微弱多目标激光探测仿真与实验

doi: 10.37188/CO.2023-0141
基金项目: 国防科研基金(No. 2019-JCJQ-JJ-056)
详细信息
    作者简介:

    宗思光,男,2009年于海军工程大学获得工学博士学位,海军工程大学电子工程学院副教授,主要从事下激光探测、激光通信、激光致声等方面的研究。E-mail:41119749@qq.com

    张 鑫,男,2023年于海军工程大学获得工学硕士学位。海军航空大学助教,主要从事激光探测等方面的研究。E-mail:1714308601@qq.com

  • 中图分类号: TN249

Simulation and experiment of weak multi-target laser detection in complex hydrology

Funds: Supported by The National Defense Foundation of China (No. 2019-JCJQ-JJ-056)
More Information
  • 摘要:
    目的 

    为了探究在近岸复杂水体中,激光探测对微弱目标的探测能力,研究水质、目标特征、目标距离对水下激光探测的影响具有重要理论和应用价值。

    方法 

    论文建立了水下微弱目标激光探测模型,采用蒙特卡洛仿真验证了不同浊度微弱多目标激光探测性能,模拟了不同距离下微弱目标的激光后向散射回波信号,对多个不同反射系数的目标后向散射回波特性进行了分析。同时设计并研制了灵巧便携式水下微弱目标激光探测系统,进行了实验室及外场湖泊环境下的多目标探测、测距测试验证。

    结果 

    在浊度为12.87 NTU的近岸湖泊水域,该系统实现了10 m范围内对3~4个直径在80~400 μm不同的低反射系数的混合小目标进行有效探测,平均测量误差为±0.11 m,与理论仿真一致。

    结论 

    研究结果可为蓝绿激光水下多微弱目标探测链路计算、系统设计及参数优化提供参考,支撑近海浑浊水体下水下障碍物激光探测工程实践。

     

  • 图 1  单目标测距

    Figure 1.  Single target ranging

    图 2  多目标测距

    Figure 2.  Multi-target ranging

    图 3  光子模拟运动程序图

    Figure 3.  Program diagram of photon simulation motion

    图 4  不同水质下不同距离下单个目标激光后向散射峰值图

    Figure 4.  Laser backscattering peak value of a single target at different distances under different water quality conditions

    图 5  不同浊度下三目标回波信号图

    Figure 5.  Echo signal diagram of three targets with different turbidity values

    图 6  不同反射率目标回波信号图

    Figure 6.  Target echo signal diagram with different reflectance values

    图 7  不同浊度下四目标回波信号图

    Figure 7.  Echo signal diagram of four targets with different turbidity values

    图 8  激光多目标探测系统组成图

    Figure 8.  Composition of laser multi-target detection system

    图 9  试验样机

    Figure 9.  Experimental prototype

    图 10  系统信号处理模块组成图

    Figure 10.  Composition diagram of system signal processing module

    图 11  测距算法原理图

    Figure 11.  Principle diagram of ranging algorithm

    图 12  探测系统工作流程图

    Figure 12.  Detection system work flow chart

    图 13  近岸实验场景

    Figure 13.  Nearshore experimental scenarios

    图 14  某湖泊多目标激光探测实验系统

    Figure 14.  An experimental system for multi-target laser detection in a certain lake

    图 15  三目标探测原始回波信号图

    Figure 15.  Three target detection original echo signal diagram

    图 16  峰值提取信号图

    Figure 16.  Peak extraction signal diagram

    图 17  四目标探测原始回波信号图

    Figure 17.  Four-target detection original echo signal diagram

    图 18  峰值提取信号图

    Figure 18.  Peak extraction signal diagram

    图 19  不同目标激光后向散射回波时间图

    Figure 19.  Back-scattered echo time plots with different target lasers

    图 20  不同目标激光后向散射回波强度图

    Figure 20.  Laser backscatter echo intensity map of different targets

    表  1  不同目标反射系数[25]

    Table  1.   Reflection coefficient of different target[25]

    目标类型反射系数
    气泡群0.05
    鱼线0.1
    渔网0.23
    多孔礁石0.36
    下载: 导出CSV

    表  2  不同水质下四种探测目标最远距离统计

    Table  2.   Statistics of the farthest distance of four detection targets under different water quality conditions

    水质 目标类型 (距离/m)
    气泡群 鱼线 渔网 多孔礁石
    东海台湾海峡 17.2 25.4 30.5 38.8
    黄海中部 15.8 22.7 25 32
    渤海中部 12.4 19.6 22 26
    下载: 导出CSV

    表  3  不同水质下三种探测目标距离

    Table  3.   Three detection target distances under different water quality conditions

    目标类型时间/ns探测距离/m
    渔网47.85.5
    气泡群87.010
    鱼线113.113
    多孔礁石113.113
    下载: 导出CSV

    表  4  不同水质下四种探测目标距离

    Table  4.   Four detection target distances under different water quality conditions

    目标类型时间/ns探测距离/m
    渔网17.42
    气泡群34.84
    鱼线69.68
    多孔礁石87.010
    下载: 导出CSV

    表  5  测试目标尺寸

    Table  5.   Test target size

    目标类型 尺寸
    气泡群 D=70~90 μm
    鱼线 D=210 μm
    渔网 Φ=2.5 cm D=280 μm l=3 m
    多孔礁石 L=15 cm W=13 cm H=20 cm
    下载: 导出CSV

    表  6  探测距离与实际距离对比

    Table  6.   Comparison of detection distance and actual distance

    目标类型探测距离/m时间/ns实际探测距离/m平均值/m相对误差/m标准差
    渔网5.551.246.548.65.8945.3455.5825.6070.1070.1548
    气泡群1091.987.8584.0510.3669.9099.4759.9160.0840.210
    鱼线13114.8116.55115.612.95513.3513.03913.150.1500.0538
    下载: 导出CSV

    表  7  探测距离与实际距离对比

    Table  7.   Comparison of detection distance and actual distance

    目标类型探测距离/m时间/ns实际探测距离/m平均值/m相对误差/m标准差
    鱼线218.518.318.052.1282.1052.0752.1020.1020.03
    气泡群434.536.237.73.9684.1634.3344.1550.1550.259
    渔网870.169.368.38.057.9707.8557.9580.0420.133
    多孔礁石1091.186.587.1510.4779.94010.01010.1420.1420.413
    下载: 导出CSV
  • [1] LI G, LIANG K, WANG H. Measurement of water bulk viscosity based on brillouin scattering[C]. 中国兵工学会, 中国兵器科学研究院, 中国北方工业公司. 2018国际防务技术大会论文集(下卷). The Publishing House of Ordnance Industry, 2018: 6. (查阅网上资料, 未找到本条文献信息, 请确认) .
    [2] WANG Y Q, ZHANG J H, ZHENG Y CH, et al. Brillouin scattering spectrum for liquid detection and applications in oceanography[J]. Opto-Electronic Advances, 2023, 6(1): 220016. doi: 10.29026/oea.2023.220016
    [3] 王翀, 杨嘉皓, 朱炳利, 等. 距离选通成像系统中短脉冲激光驱动技术研究[J]. 中国光学(中英文),2023,16(3):567-577. doi: 10.37188/CO.2022-0142

    WANG CH, YANG J H, ZHU B L, et al. Short pulse laser drive technology in a distance-selective imaging system[J]. Chinese Optics, 2023, 16(3): 567-577. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2022-0142
    [4] 宗思光, 张鑫, 梁善永, 等. 多尺度复杂水质尾流气泡的激光探测仿真与实验[J]. 中国激光,2023,50(5):0504003. doi: 10.3788/CJL220853

    ZONG S G, ZHANG X, LIANG SH Y, et al. Laser detection simulation and experiment of multiscale complex water wake bubble[J]. Chinese Journal of Lasers, 2023, 50(5): 0504003. (in Chinese). doi: 10.3788/CJL220853
    [5] 刘东, 姚清睿, 张思诺, 等. 拉曼激光雷达大气温湿压探测技术研究进展[J]. 中国光学(中英文),2023,16(2):243-257. doi: 10.37188/CO.2022-0145

    LIU D, YAO Q R, ZHANG S N, et al. Research progress of temperature, humidity and pressure detection technology using Raman Lidar[J]. Chinese Optics, 2023, 16(2): 243-257. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2022-0145
    [6] 江子琦, 刘晓梅, 蔡夫鸿, 等. 半导体白激光作为水下成像系统光源与单色激光、LED白光的对比成像实验(英文)[J]. 中国光学(中英文),2023,16(2):466-478. doi: 10.37188/CO.EN.2022-0012

    JIANG Z Q, LIU X M, CAI F H, et al. Imaging comparison experiment of an underwater imaging system with a semiconductor white laser, a monochromatic laser and an LED white light as the light source[J]. Chinese Optics, 2023, 16(2): 466-478. doi: 10.37188/CO.EN.2022-0012
    [7] 彭波, 钟昆, 赵慧, 等. 水下目标激光周向扫描探测模型与仿真分析[J]. 红外与激光工程,2019,48(12):135-141.

    PENG B, ZHONG K, ZHAO H, et al. Laser circumferential scanning detection model and simulation analysis of underwater targets[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(12): 135-141. (in Chinese).
    [8] 郜魏柯, 杜小平, 王阳, 等. 激光散斑目标探测技术综述[J]. 中国光学,2020,13(6):1182-1193. doi: 10.37188/CO.2020-0049

    GAO W K, DU X P, WANG Y, et al. Review of laser speckle target detection technology[J]. Chinese Optics, 2020, 13(6): 1182-1193. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2020-0049
    [9] 胡波, 张云菲, 吴超鹏, 等. 基于图像的水下三点激光测距方法研究[J]. 红外与激光工程,2019,48(10):1005011. doi: 10.3788/IRLA201948.1005011

    HU B, ZHANG Y F, WU CH P, et al. Image-based three-beam underwater laser ranging method[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(10): 1005011. (in Chinese). doi: 10.3788/IRLA201948.1005011
    [10] 刘欣宇, 杨苏辉, 廖英琦, 等. 基于小波变换的激光水下测距[J]. 物理学报,2021,70(18):184205. doi: 10.7498/aps.70.20210569

    LIU X Y, YANG S H, LIAO Y Q, et al. Laser underwater ranging based on wavelet transform[J]. Acta Physica Sinica, 2021, 70(18): 184205. (in Chinese). doi: 10.7498/aps.70.20210569
    [11] 李坤, 杨苏辉, 廖英琦, 等. 强度调制532 nm激光水下测距[J]. 物理学报,2021,70(8):084203. doi: 10.7498/aps.70.20201612

    LI K, YANG S H, LIAO Y Q, et al. Underwater ranging with intensity modulated 532 nm laser source[J]. Acta Physica Sinica, 2021, 70(8): 084203. (in Chinese). doi: 10.7498/aps.70.20201612
    [12] 申玲菲, 范婷威, 胡谷雨, 等. 基于蒙特卡洛仿真的水下四点单目测距研究[J]. 光通信研究,2023(4):60-67.

    SHEN L F, FAN T W, HU G Y, et al. Research on underwater four-point monocular ranging based on Monte Carlo simulation[J]. Study on Optical Communications, 2023(4): 60-67. (in Chinese).
    [13] 张鑫, 宗思光, 余扬, 等. 近岸渔网激光探测特性与实验研究[J]. 激光杂志,2023,44(3):105-110. doi: 10.14016/j.cnki.jgzz.2023.03.105

    ZHANG X, ZONG S G, YU Y, et al. Laser detection characteristics and experimental study of inshore fishing net[J]. Laser Journal, 2023, 44(3): 105-110. (in Chinese). doi: 10.14016/j.cnki.jgzz.2023.03.105
    [14] 孔琪. 相位式激光测距技术研究与实现[D]. 成都: 四川师范大学, 2018.

    KONG Q. Research and implementation of phase laser ranging technology[D]. Chengdu: Sichuan Normal University, 2018. (in Chinese).
    [15] 宗思光, 张鑫, 曹静, 等. 舰船尾流激光探测跟踪方法与试验[J]. 红外与激光工程,2023,52(3):20220507. doi: 10.3788/IRLA20220507

    ZONG S G, ZHANG X, CAO J, et al. Method and experiment of laser detection and tracking of ship wake[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(3): 20220507. (in Chinese). doi: 10.3788/IRLA20220507
    [16] 钟昆, 苏伟, 彭波, 等. 水下脉冲激光探测后向散射噪声自适应滤波算法[J]. 太赫兹科学与电子信息学报,2023,21(2):208-215,224. doi: 10.11805/TKYDA2020461

    ZHONG K, SU W, PENG B, et al. An adaptive filter algorithm of underwater pulse laser detection based on backscattering correlative characters[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2023, 21(2): 208-215,224. (in Chinese). doi: 10.11805/TKYDA2020461
    [17] 刘心溥, 元志安, 王玲, 等. 副载波调制水下激光雷达测距性能仿真[J]. 红外与激光工程,2020,49(S2):20200193.

    LIU X F, YUAN ZH A, WANG L, et al. Performance simulation of underwater lidar ranging system based on subcarrier modulation technology[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(S2): 20200193. (in Chinese)
    [18] 张鑫, 宗思光, 余扬, 等. 水下微弱目标双通道激光探测方法研究[J]. 激光与红外,2023,53(2):185-193. doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.02.004

    ZHANG X, ZONG S G, YU Y, et al. Research on dual-channel laser detection method for underwater weak target[J]. Laser & Infrared, 2023, 53(2): 185-193. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2023.02.004
    [19] 邢刚, 许冬生, 夏云. 基于CPLD的多目标脉冲激光测距系统的设计与实现[J]. 激光与红外,2010,40(2):152-154. doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2010.02.009

    XING G, XU D SH, XIA Y. Design and realization of multi-target pulsed laser range finder on CPLD[J]. Laser & Infrared, 2010, 40(2): 152-154. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2010.02.009
    [20] 魏昊, 姜建芳, 施峰, 等. FPGA的多目标激光测距系统的设计与实现[J]. 火力与指挥控制,2007,32(7):120-122,125. doi: 10.3969/j.issn.1002-0640.2007.07.034

    WEI H, JIANG J F, SHI F, et al. The design and realization of multi-target laser range finder on FPGA[J]. Fire Control and Command Control, 2007, 32(7): 120-122,125. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1002-0640.2007.07.034
    [21] 董驰, 赵宇, 张翀, 等. 基于FPGA的相位式激光测距系统[J]. 国外电子测量技术,2021,40(8):36-40. doi: 10.19652/j.cnki.femt.2002701

    DONG CH, ZHAO Y, ZHANG CH, et al. Phase laser ranging system based on FPGA[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2021, 40(8): 36-40. (in Chinese). doi: 10.19652/j.cnki.femt.2002701
    [22] 纪荣祎, 赵长明, 任学成, 等. 脉冲激光测距高精度计时系统的设计[J]. 工矿自动化,2010,36(8):18-22.

    JI R Y, ZHAO CH M, REN X CH, et al. Design of timing system with high precision of pulse laser ranging[J]. Industry and Mine Automation, 2010, 36(8): 18-22. (in Chinese).
    [23] 谭亚运. 水下脉冲激光近程周向扫描探测技术研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2017.

    TAN Y Y. Research on underwater laser proximity circumferential scanning detection technology[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2017. (in Chinese).
    [24] 李铜基, 林明森, 何贤强, 等. 中国近海海洋——海洋光学特性与遥感[M]. 北京: 海洋出版社, 2012.

    LI T J, LIN M S, HE X Q, et al. Offshore China - Marine Optical Properties and Remote Sensing[M]. Beijing: China Ocean Press, 2012. (in Chinese) (查阅网上资料, 未找到对应的英文翻译, 请确认) .
    [25] 胡江华, 贾其, 李凌, 等. 伪装技术[M]. 2版. 北京: 兵器工业出版社, 2022.

    HU J H, JIA Q, LI L, et al. Camouflage Technology[M]. 2nd ed. Beijing: Weapon Industry Press, 2022. (in Chinese) (查阅网上资料, 未找到对应的英文翻译, 请确认) .
  • 加载中
图(20) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  96
  • HTML全文浏览量:  68
  • PDF下载量:  13
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 网络出版日期:  2023-12-05

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要通知

    2024年2月16日科睿唯安通过Blog宣布,2024年将要发布的JCR2023中,229个自然科学和社会科学学科将SCI/SSCI和ESCI期刊一起进行排名!《中国光学(中英文)》作为ESCI期刊将与全球SCI期刊共同排名!